임팩트 프린트 형 핫 엠보싱 기술을 사용하여 유연한 재료에 대한 도트 패터닝 공정 연구

Summary

임팩트 프린트 형 핫 엠보싱 기술은 임팩트 헤더를 사용하여 유연한 재질에 도트 패턴을 실시간으로 새겨 보도록 합니다. 이 기술은 다양한 폴리머 필름에 다양한 폭과 깊이의 도트 패턴을 생성하기 위해 충격 헤더의 온-오프 모션과 위치를 제어하기위한 제어 시스템을 갖는다.

Abstract

여기에서 우리는 폴리머 필름에 대한 다양한 디자인, 너비 및 깊이로 도트 패턴을 만들 수있는 충격 인쇄 유형 의 핫 엠보싱 공정에 대한 연구를 발표합니다. 또한 임팩트 헤더의 온오프 모션과 위치에 대한 제어 시스템을 구현하여 다양한 도트 패턴을 새겨나들이고 있습니다. 폴리에스테르(PET) 필름, 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA) 필름, 폴리염화비닐(PVC) 필름 등 다양한 폴리머 필름에 도트 패터닝을 실시했습니다. 도트 패턴은 공초점 현미경을 사용하여 측정되었으며, 충격 인쇄 유형 핫 엠보싱 공정이 도트 패터닝 프로세스 중에 더 적은 오류를 생성한다는 것을 확인했습니다. 그 결과, 충격 인쇄 형 핫 엠보싱 공정은 다양한 유형의 폴리머 필름에 도트 패턴을 조각하는 데 적합한 것으로 밝혀졌습니다. 또한, 기존의 핫 엠보싱 공정과 는 달리, 이 과정은 엠보싱 스탬프를 사용하지 않는다. 따라서 공정이 간단하고 실시간으로 도트 패턴을 생성할 수 있어 대량 생산 및 소량 배치 생산에 고유한 이점을 제공합니다.

Introduction

연구원은 적극적으로 기존 장치 및 디스플레이를 소형화하고 이러한 장치의 유연성을 높이기 위해 노력하고^{있습니다 1,,2}. 전기 채널의 폭과 깊이를 마이크로 또는 나노 스케일로 줄이려면 고정밀 기술이 필요합니다. 또한, 이러한 장치의 유연성을 높이기 위해, 전기 채널의 패턴은 폴리머 필름^3,,4와같은 유연한 재료상에 위치해야 한다. 이러한 조건을 충족하기 위해 초미세 마이크로 프로세싱 기술에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있습니다.

초미세 가공 기술은 철이나 플라스틱과 같은 고강성 소재뿐만 아니라 폴리머 필름과 같은 연질 소재도 패터닝 재료가 가능하다는 장점이 있다. 이러한 장점으로 인해, 이 기술은 통신,^,화학, 광학, 항공우주, 반도체 및 센서^5,6,67과 같은 다양한 분야에서 핵심 공정으로 널리 사용되고 있다. 초미세 마이크로 프로세싱 분야에서는 LIGA(리소그래피, 전기 도금 및 성형) 또는 마이크로머시닝 방법이^8개사용됩니다. 그러나, 이러한 종래의 방법은 몇 가지 문제와 연관된다. LIGA 방법은 초미세 패턴을 생성하고 공정 중에 다양한 유형의 장비가 필요하기 때문에 상당한 시간과 여러 공정 단계가 필요하며 높은 비용이 발생합니다. 또한 LIGA 방법은 환경을 오염시킬 수 있는 화학 물질을 사용합니다.

이 문제를 해결하기 위해 핫 엠보싱 공정 기술은 초미세 마이크로 공정 기술 사이에서 각광을 받고 있습니다. 핫 엠보싱은 마이크로 또는 나노 스케일 엠보싱 금형을 사용하여 가열 된 폴리머 필름에 패턴을 생성하는 기술입니다. 기존의 핫 엠보싱 기술은 금형의 모양에 따라 플레이트 유형과 롤 투 롤 유형으로 나뉩니다. 두 가지 유형의 핫 엠보싱 기술은 금형의 형상면에서 다르지만, 이러한 두 공정은 엠보싱 몰드가 폴리머 필름을 가열된 플레이트상에 압압하여 폴리머 필름에 패턴을 새는 것과 유사하다는 점에서 유사하다. 뜨거운 엠보싱 공정을 사용하여 패턴을 새기려면 유리 전이 온도 이상으로 폴리머 필름을 가열하고 적절한 양의 압력 (~30-50 MPa)을^{적용해야합니다 9.} 또한, 패턴의 폭과 깊이는 가열된 플레이트의 온도, 재료 및 엠보싱 몰드의 형상에 따라 변화한다. 더욱이, 패터닝 공정 후의 냉각 방법은 중합체 막 상에서 패턴의 형상에 영향을 미친다.

종래의 핫 엠보싱 공정에서 엠보싱 스탬프 또는 롤러는 원하는 패턴으로 엠보싱될 수 있으며, 엠보싱 몰드는 동일한 패턴을 폴리머 필름 표면에 연속하여 인쇄하는데 사용될 수 있다. 이 기능은 대량 생산뿐만 아니라 폴리머 필름^{10,,11,,12,,13,,14와}같은 부드러운 재료로 장치를 제작하는 데적합합니다. 그러나, 종래의 핫 엠보싱 방법은 엠보싱 몰드에 새겨진 단일 패턴만을 만들 수 있다. 따라서 사용자가 새 패턴을 만들거나 패턴을 수정하려는 경우 새 금형을 만들어 각인 패턴을 수정해야 합니다. 이러한 이유로 기존의 핫 엠보싱은 새로운 패턴을 만들거나 기존 설계를 대체할 때 비용이 많이 들고 시간이 많이 걸립니다.

이전 작품은 실시간으로 다양한 폭과 깊이도 도트 패턴을 생성하기위한 충격 형 핫 엠보싱 프로세스를 도입^15. 기존의 핫 엠보싱 공정과 달리 임팩트 프린트 형 핫 엠보싱 방법은 임팩트 헤더를 사용하여 폴리머 필름에 패턴을 생성합니다. 이 기술은 정밀 한 위치 결정 시스템을 통해 임팩트 헤더를 원하는 위치로 이동합니다. 제어 신호는 원하는 폭과 깊이와 임의의 위치에서 패턴을 인쇄하는 데 적용됩니다. 충격 헤더의 구조는 무버, 스프링, 코일 권선 및 코어(그림 1 A^{참조)(그림} 1A)로구성됩니다. 이전 작업은 분석 및 실험을 통해 이러한 충격 헤더가 핫 엠보싱에 대한 적절한 힘을 생성할 수 있음을^{확인하였다.} 이 백서의 프로토콜은 충격 유형 핫 엠보싱 프로세스에 대한 하드웨어 설계와 공정 제어를 위한 제어 환경을 다룹니다. 또한 PET 필름, PMMA 필름 및 PVC 필름의 도트 패턴을 분석하여 제안된 프로토콜로 처리하여 임팩트 프린트 형 핫 엠보싱 프로세스가 다양한 폭과 깊이의 도트 패턴을 실시간으로 생성할 수 있는지 확인합니다. 이러한 실험의 결과는 엠보싱 공정이 초미세 패턴을 적절히 생성할 수 있음을 확인하는 결과 섹션에 아래에 제시되어 있습니다.

Protocol

1. 임팩트 프린트 형 핫 엠보싱 공정 의 제작

1. 모델 1을 만들고 X 단계와 결합합니다(그림 1참조).
   참고: X 스테이지로 열이 발생하지 않도록 Model 1은 알루미늄으로 제작하는 것이 좋습니다. 또한 Model 1의 설계는 열판의 크기에 따라 다르므로 모델 1의 길이는 열판의 표면과 Z 단계의 베어링 플레이트의 가장 낮은 높이 사이의 거리여야 합니다.
2. X 스테이지와 Z 스테이지를 결합하고 Z 스테이지와 모델 2를 조립합니다.
   참고: Model 2는 열판(예: 알루미늄)의 열을 견딜 수 있는 금속으로 만들어졌습니다. 모델 2를 Z 스테이지에 단단히 고정하면 모델 2의 무게와 충격 헤더를 보유할 수 있는 Z 스테이지의 기능이 보장됩니다.
3. 모델 2와 임팩트 헤더를 결합하고 히트 플레이트를 모델 1 아래에 배치합니다.
   참고: 모델 2에서 가장 낮은 위치로 충격 헤더를 결합하면 무버가 열판의 표면에 도달하도록 합니다. Z 단을 최대로 올린 후 히트 플레이트의 표면과 충격 헤드의 접촉을 피하기 위해 히트 플레이트를 설치하는 것이 좋습니다. 적절한 소프트웨어를 사용하여 스테이지를 제어합니다.
4. 필름 홀더의 STL파일(보조 파일 1 및 보조 파일 2)을적절한 소프트웨어를 사용하여 GCODE 파일로 변환하여 3차원(3D) 프린터로 필름 홀더를 인쇄합니다.
   참고: 소프트웨어는 사용되는 3D 프린터에 따라 다를 수 있으며 일부 환경에서는 GCODE 변환없이 3D 프린터 환경을 지원할 수 있습니다.
5. 3D 프린터를 사용하여 GCODE 파일로 필름 홀더를 인쇄합니다.
   참고: 필라멘트(예: Z-HIPS)를 사용하는 것은 필름 홀더와 같은 큰 부품을 인쇄할 때 수축이 적기 때문에 권장됩니다.
6. 그림 1과같이 두 개의 필름 홀더를 열판의 끝에 설치하고 폴리머 필름을 필름 홀더에 고정합니다. 중합체 필름이 열판상에 평평해지도록 하려면 필름 홀더의 모션 1을 사용하여 폴리머 필름을 가능한 한 많이 당깁니다(그림 1B참조). 폴리머 필름을 측면으로 이동하려면 모션 2를 통해 필름 홀더를 이동합니다(그림 1B참조).
   참고 : 중합체 필름을 필름 홀더에 고정하려면 나사를 사용하는 것이 좋습니다. 접착제는 중합체 필름을 필름 홀더에 부착하기에 충분하지 않으며, 패터닝 실험 후 폴리머 필름의 분리에 가장 적합합니다.

2. 제어 회로의 제조

참고: 이 프로세스는 충격 헤더와 X-Z 스테이지의 제어 회로를 구성하는 프로세스에 대해 설명합니다.

1. 신호를 보내는 제어 장치(재료 표참조)를 충격 헤더에 연결하여 제어합니다.
2. 제어 장치를 충격 헤더에 연결한 후 컨트롤 신호로 -3 V 및 +10V를 충격 헤더로 입력합니다.
   참고: +10V 제어 신호가 충격 헤더로 전송되면(그림 1참조), 무버(충격 헤드)가 내려와 턴온 상태가 됩니다. 이 상태에서, 무버는 중합체 필름에 부딪히고 중합체 필름상에 패턴을 새겨.
   1. 충격 헤더의 무버를 사용하여 패턴을 조각 한 후 다음 패턴을 조각하기 위해 무버를 올립니다. 무버(임팩트 헤드)를 올리려면 -3V 제어 신호를 적용합니다.
      참고: 음전압은 충격 헤더의 내부 잔류 플럭스로 인해 무버가 자화되지 않도록 충격 헤더에 입력됩니다.
3. 제어 장치가 충분한 제어 신호를 제공할 수 없는 경우 그림 2와같이 ~0V-5V 제어 신호를 ~-3 V-+10V로 증폭하는 고전력 작동 증폭기(예: OP-AMP)를 사용하여 충격 헤더를 제어합니다.
   1. 먼저 이중 채널 DC 전원 공급 장치를 준비합니다(재료 표참조). 이 단계가 끝나면 4개의 노드를 연결하여 모든 채널에 공통 접지(GND) 노드를 제공합니다: 채널 1용 양압 전압 터미널(V1+) 및 채널 1용 접지(GND) 터미널과 채널 2의 음수 전압 터미널(V2-) 및 접지(GND). 전체 연결 다이어그램은 그림 2에표시됩니다.
      참고: 2.3.1에 설명된 단계에 따라, 다른 절대 값을 가진 양극 및 음압 전압은 작동 증폭기(OP-AMP)에 공급될 수 있다.
   2. 도 2의파란색 선에 의해 표시된 바와 같이, OP-AMP의 음수 전원 전압 단자(Vs-)에 전원 공급 장치 1(V1-)의 음전압 단자(V1-)를 연결한다. 이어서, 채널 1에 3V Vcc 전압을 입력한다.
      참고: 2.3.1 단계에 따르면, 3V Vcc 전압은 OP-AMP의 음수 전원 전압 단자(Vs-)에 -3V 음의 전압으로 공급됩니다.
   3. 도 2의빨간색 선으로 표시된 대로 전원 공급 장치 2(V2+)의 양압 전압 단자(Vs+)를 OP-AMP의 양수 전원 전압 단자(Vs+)에 연결합니다. 이어서 채널 2에 10V Vcc 전압을 입력합니다.
      참고: 2.3.1 단계에 따르면, 10V Vcc 전압은 OP-AMP의 양수 전원 전압 단자(Vs+)에 +10V 포지티브 전압으로 공급됩니다.
   4. 그림 2의녹색 선에 표시된 대로 제어 장치(Vcon+)의 +출력 채널을 OP-AMP의 양수 입력 채널(Vin+)에 연결합니다.
   5. 도 2의검정선에 나타난 바와 같이, 제어 디바이스(Vcon-)의 -출력 채널을 전원 공급 장치의 채널 2의 접지(GND)에 연결한다.
      참고: (Vcon-)를 지면(GND)에 연결할 때, 채널 2의 GND 이외에 2.3.1 단계에서 연결된 단말 중 하나에 연결할 수 있다.
   6. 그림 2와같이 각 경우에 1kΩ 및 10kΩ 값의 전기 저항을 준비하고 빨간색 선과 검은색 선 사이에 연결합니다.
   7. 그림 2의보라색 선에 표시된 것처럼 1kΩ과 10 kΩ 사이의 단자를 OP-AMP(Vin-)의 음수 입력 채널에 연결합니다.
   8. OP-AMP(Vout)의 출력 채널과 2.3.1단계에서 설명된 전기 단자 중 하나에서 라인을 당깁니다. 그림 2의주황색 선과 같이 선을 충격 헤더에 연결합니다.
   9. 전원 공급 장치에 관해서는 채널 1-3 Vcc 및 채널 2-10 Vcc의 전압을 설정합니다. 이어서, 제어 장치에서 ~0 V-5 V의 제어 신호를 생성한다.
      참고: 생성된 ~0 V-5 V 제어 신호는 OP-AMP에서 ~-3 V-+10V로 증폭되며, 이는 단계 2.2.1 및 2.2.2에 설명된 대로 충격 헤더를 제어하는 데 필요합니다.

3. 실험 디자인

참고: 이 섹션에서는 충격 유형 핫 엠보싱 장치를 제어하고 폴리머 필름에 도트 패턴을 조각하는 프로세스에 대해 설명합니다.

1. 제어 컴퓨터(PC)를 사용하여 X 스테이지 및 Z 스테이지를 제어하는 스테이지 제어 프로그램(예를 들어, Micromove)을 설치한다.
2. DAQ 드라이버 소프트웨어를 설치하여 충격 헤더를 제어하는 제어 PC상에서 제어 디바이스를 검출하고 제어 장치를 제어하는 동작 프로그램(예를 들어, MATLAB)을 설치한다.
3. 소프트웨어를 설치한 후 그림 3A와 같이 하드웨어 환경을 구성하여 패터닝 실험을 수행합니다.
   1. 도 3A와 같이 X 스테이지, Z 스테이지, 임팩트 헤더, 필름 홀더 및 히트 플레이트를 설치하여 하드웨어 환경을 구성합니다.
   2. 필름 홀더에 폴리머 필름을 고정하고 모션 1 및 2(그림 1B참조)를 사용하여 중합체 필름의 위치를 조정하여 필름을 평평하게 고정합니다.
      참고: 방향 2를 조정하는 동안 필름을 평평하게 유지하려면 두 필름 홀더의 위치가 평행해야 합니다. 히트 플레이트에서 필름을 평평하게 만들려면 그림 1B와같이 방향 1에 따라 필름 홀더를 낮추는 것이 좋습니다.
   3. 중합체 필름을 고정한 후, 열판의 온도를 조절하여 유리 전이 온도 이상으로 필름을 가열한다.
      참고 : 필름의 각 유형은 자신의 유리 전이 온도를 가지고있다. 따라서 해당 데이터 시트에서 필름의 재료 특성을 확인한 후 열판의 온도를 자체 유리 전이 온도로 조정하는 것이 좋습니다.
4. 하드웨어를 설정한 후 그림 3B와 같이 컨트롤 회로를 함께 넣어 스테이지와 충격 헤더를 제어합니다.
   1. 그림 3B와같이 제어 환경을 구성하기 위해 PC, 제어 보드, 전원 공급 장치 및 OP-AMP를 준비합니다. 그림 2와 같이 장치를 연결한 다음 컴퓨터를 제어 보드에 연결합니다.
   2. 2.3.9단계에 설명된 대로 전원 공급 장치 의 채널 1과 2를 통해 3Vcc 및 10Vcc 값을 OP-AMP에 각각 입력합니다.
5. 제어 컴퓨터를 사용하여 스테이지 및 충격 헤더를 제어합니다.
   1. 스테이지 제어 프로그램을 사용하여 X 및 Z 스테이지를 제어하여 충격 헤더의 초기 위치를 조정합니다.
      참고: 충격 헤더의 초기 위치를 조정하는 동안 충격 헤더와 히트 플레이트 사이에 충돌이 없는지 확인합니다. Z 단계의 위치가 너무 낮으면 무버가 열판과 충돌하여 무버와 열판 모두에 손상을 입힙니다. 두 장치에 손상이있는 경우, 그것은 중합체 재료에 미세 패턴의 생성을 방해합니다.
   2. 작동 프로그램을 사용하여, 제어 장치에서 5V 제어 신호를 생성한다. 단계 2.3.1-2.3.9에 따르면 OP-AMP는 5V 제어 신호를 +10V로 증폭시키고 충격 헤더를 켜고 폴리머 필름에 패턴을 새겨 보입니다.
   3. 이제 동작 프로그램을 사용하여 제어 장치에서 0V 제어 신호를 생성한다. 단계 2.3.1-2.3.9에 따르면 OP-AMP는 0V 제어 신호를 -3V로 증폭하고 충격 헤더를 끕니다.
      참고: 임팩트 헤더의 무버가 새 패턴을 새길 때까지 대기하면서 발생합니다.
   4. X 스테이지를 위치로 이동하여 다음 패턴을 조각합니다.
   5. 3.5.1-3.5.4 단계를 순차적으로 반복하여 폴리머 필름에 패턴을 3배 새겨 놓습니다.
   6. 초기 위치에서 Z 단계 10 μm를 낮추고 Z 단계 이동 수를 계산하여 단계 3.5.5를 실행합니다. Z 스테이지 이동 수가 3을 초과하면 X 스테이지를 초기 위치로 이동하고 Z 스테이지를 이동하여 충격 헤더를 최대로 올립니다.
      참고: Z 단계의 높이를 변경하면 도트 패턴의 깊이와 너비가 조정됩니다.
6. 도 4A에도시된 바와 같이, 막 홀더로부터 폴리머 필름을 분리하고 공초점 현미경을 사용하여 각 패턴의 폭과 깊이를 측정한다(재료 표참조).
   1. 측정 프로세스를 시작하기 전에 현미경의 배율 값을 선택하고 처음에 직접 관찰 모드를 사용하여 폴리머 필름의 스캐닝 위치를 조정합니다. 직접 관찰을 통해 위치를 조정한 후 폴리머 필름을 고정하고 스캐닝 모드를 레이저 스캐닝 모드로 변경합니다.
      참고 : 공초점 현미경을 사용하는 경우 그림 4B와같이 아크릴 패널을 사용하여 샘플을 고정하는 것이 좋습니다.
   2. 레이저 스캐닝 모드를 사용하여 도트 패턴의 깊이와 폭을 측정합니다.
7. 필름 유형을 변경한 후 3.3.2-3.6.2 단계를 반복합니다.
   참고 : 필름의 각 유형의 유리 전이 온도를 고려, 열 판에 각 필름을 배치하기 전에 열 판의 온도를 설정합니다. 본 연구에서, PVC 필름의 유리 전이 온도는 100°C; PMMA 필름의 경우 95°C이고 PET 필름의 경우 75°C입니다.

Results

임팩트 프린트 형 핫 엠보싱 공정은 도 1과같이 폴리머 필름에 도트 패턴을 실시간으로 새겨 두는 데 사용할 수 있는 공정이다. 이 프로세스는 기존 핫 엠보싱 프로세스와 관련된 패턴 교체에 대한 높은 비용과 오랜 시간의 문제를 해결할 수 있습니다. 도 2(단계 2.3-2.3.9)에 나타난 바와 같이 제어 회로가 구성되었으며, 온-오프 작동 중에 충격 헤더를 구현하여 다양한 유형의 폴리머 필름에 패턴을 조각하기 위해 DAQ, OP-AMP 및 전원 공급 장치를 사용합니다. 구현된 임팩트 인쇄 유형 핫 엠보싱 프로세스는 그림 3에나와 있습니다.

충격 인쇄 형 핫 엠보싱의 이전 연구에서는 PMMA 필름에 대한 실험만 검증되었으며 다른 폴리머 필름은 테스트되지 않았습니다. 충격 인쇄 형 핫 엠보싱이 다른 폴리머 필름에 패턴을 실시간...

Discussion

이 연구에서는 임팩트 프린트 형 핫 엠보싱 공정을 구현하고 다양한 폭과 깊이를 가진 도트 패턴을 다양한 폴리머 필름에 실시간으로 새겨 두는 작업을 실시했습니다. 프로토콜 단계 중 두 단계는 모든 단계 중에서 중요하게 고려해야 합니다. 첫 번째는 열판의 온도 설정(단계 3.3.3)이고, 두 번째는 충격 헤더의 초기 위치설정(단계 3.5.1)이다. 3.3.3단계에서, 열판의 온도가 너무 높으면, 필름의 점도가 미세한 패턴의 생성을 방해하기 때문에 패턴을 형성하기 어려워진다. 한편, 열판의 온도가 너무 낮으면 패턴이 매끄럽게 새겨지지 않는다. 충격 헤더의 위치는 패턴의 깊이 및 너비와 관련이 있기 때문에 충격 헤더의 초기 위치의 계수가 중요합니다. 또한 충격 헤더의 높이가 너무 낮으면 충격 헤더의 무버가 열판과 충돌하여 무버와 열판 모두에 손상을 입힙니다. 이 손상은 무버의 끝을 마모시킬뿐만 아니라 다음 단계에서 새겨진 패턴의 높이와 너비에 악영향을 미칩니다. 이러한 이유로 3.3.3 단계 및 3.5.1 단계에서 가열 온도 및 점화 ...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Sunyo	SY1023	/두께를 위한 고품질 명확한 엄밀한 포장 PVC 필름 목록	: 300µ m
아크릴 (PMMA) 필름	SEJIN TS	C200	PMMA 필름 / 두께 : 175 & m
컨포칼 레이저 스캐닝 현미경 : 재료 분석 및 테스트를위한 3D 지형	Carl Zeiss	LSM 700	3D 컨포칼 현미경 / 지원 모드 : 2D, 2.5D, 3D 지형
DAQ 보드	NATIONAL INSTRUMENTS	USB-6211	2 스테이지 및 임팩트 헤더 용 제어 보드 / 16 입력, 16 비트, 250kS / s, 다기능 I / O
DC 전원 공급 장치	SMART	RDP-305AU	3채널 전원 공급 장치 / 출력 전압 : 0~30V, 출력 전류 : 0~5A
L511 스테이지	PI	L511.20SD00	Z-스테이지 / 이동 범위 : 52mm
대형 디지털 핫플레이트	DAIHAN Scientific	HPLP-C-P	히트플레이트 / 최대 온도 : 350°; C
M531 스테이지	PI	M531.2S1	X-스테이지 / 이동 범위 : 306mm
Mylar 폴리에스터 PET 필름	CSHyde	48-2F-36	PET 필름 / 두께 : 50µ m
OPA2541	BURR-BROWN	OPA2541BM	OP-AMP / 출력 전류 : 5A, 출력 전압 : & 40볼트